DYNAMIC MODELLING OF STAGE-STRUCTURED MULTI-SPECIES POPULATION SYSTEMS  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
81279
Type K
Principal investigator Varga, Zoltán
Title in Hungarian TÖBBFAJOS, ÁLLAPOTSTRUKTURÁLT POPULÁCIÓ-RENDSZEREK DINAMIKUS MODELLEZÉSE
Title in English DYNAMIC MODELLING OF STAGE-STRUCTURED MULTI-SPECIES POPULATION SYSTEMS
Keywords in Hungarian dinamikus modell poikilotherm fajokra, predáció, parazitizmus, populáció-rendszerek monitorozása
Keywords in English dynamical model for poikilothermous species, predation, parasitism, monitoring of population systems
Discipline
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)70 %
Ortelius classification: Population biology
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Theoretical biology, early evolution of life (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Panel Ecology and evolution
Department or equivalent Matematikai és Informatikai Intézet (Szent István University)
Participants Garay, József
Gődényné Hajdu, Gabriella
Molnár, Sándor
Sebestyén, Zoltán
Starting date 2010-09-01
Closing date 2014-08-31
Funding (in million HUF) 8.948
FTE (full time equivalent) 9.03
state closed project
Summary in Hungarian
A project célja a hatékony biológiai növényvédelem elméleti, populációdinamikai megalapozásának továbbfejlesztése. E célból felállítjuk és elemzzük olyan két- és három rovarfajból álló populációrendszer (kártevő-parazitoid; kártevő-ragadozó; kártevő, amelynek parazitoidja és ragadozója is van) állapotstrukturált dinamikus modelljét, ahol a fejlődési és kölcsönhatási paraméterek egyaránt hőmérsékletfüggőek.
Míg a rövid távú szimulációs eredmények melegházi kultúrákban segítheti a biológiai védekezés stratégiaválasztását, a hosszú távú vizsgálatok a szabad földi termesztés esetén támogathatják a biológiai növényvédelmet. A monitorozás tervezett módszertani fejlesztése is hozzájárulhat a biológiai ágensek optimális alkalmazásához.
Az elméleti eredmények segíthetik a rovarpopulációkból álló többfajos rendszerek dinamikájának megértését. Az új modellt és annak szimulációs eredményeit tesztelni fogjuk a külföldi partnerek által gyűjtött laboratóriumi adatokkal. A projekt a kártevőirtásban való fontos alkalmazások elméleti megalapozásához csatlakozik, így nemcsak a hazai növényvédelemben való jövőbeni alkalmazást vetíti előre, de módszertani előkészítése lehet egy, a biológiai irtás optimális mezőgazdasági alkalmazását célzó európai konzorciális projektnek, amelyben biológiai ágensek előállítói is részt vesznek.
Végül megjegyezzük, hogy projekt során lényeges kutatási kockázattal nem kell számolnunk.
Summary
The aim of the project is the development of theoretical, population-dynamical foundations of an efficient biological pest control. To this end we setup and analyse a dynamical model of stage-structured two- and three-species insect population systems (pest-parasitoid and pest-predator systems, pest having both parasitoid and predator) where the different development and interaction rates are temperature-dependent. While short-term simulation results will support the choice of release strategy of agents in greenhouse crops, the study of the long-term behaviour can help the biological pest control in open field crops. The planned development of the monitoring methodology can also contribute to the optimal application of biological agents.

The theoretical results will provide a deeper insight into the dynamic behaviour of multi-species insect population systems. The new model and the simulation results will be tested on laboratory data collected by the collaborating foreign partners. The project joins the theoretical foundation of important applications in pest management, and therefore anticipates not only future applications in the domestic biological pest control, but may also provide a methodological preparation to an applied European consortial project on the optimization of pest management in agriculture, involving producers of biological agents, as well.

Finally we note that, concerning the planned research, no important risk can be foreseen.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A pályázati kutatás legfontosabb eredménye egy új, dinamikus modell kifejlesztése többfajos populációrendszer hőmérséklet- és állapotfüggő fejlődésének leírására. Modellünk matematikai megfogalmazása lehetővé teszi, hogy szimulációs elemzéssel választ adjunk a biológiai növényvédelemben felvetődő bizonyos fontos kérdésekre. Modellünk alkalmas például egy rovarkártevő természetes ellenségeként fellépő rovar kibocsátásának optimalizálására. A modell felállításában az egyes fajok hőmérséklettől függő biológiai paraméterei mellett kulcsszerepet játszik a fajok közötti kölcsönhatást leíró funkcionális válasz. A modell alkalmas nemcsak az ágensek hatékonyságának szimulációs elemzésére, hanem arra is, hogy optimális irányítási módszerekkel meghatározzuk az ágens kibocsátásainak leghatékonyabb időzítését és ennek gazdasági kihatásait is. Spanyol közreműködők által laboratóriumban és fóliasátrakban gyűjtött adatok felhasználásával modellünket illesztettük egy tojás- és lárvaparazitoid és gazdája adataihoz, és validáltuk is. A modell könnyen adaptálható különböző parasitoid vagy ragadozó ágens alkalmazására a biológai vagy integrált növényvédelemben. Olyan további kutatási irányokat is követtünk, amelyek vagy tematikailag, vagy módszertanilag a fő témához csatlakoztak, mint például funkcionális válaszok konstrukciója és elemzése, ökológiai játékok bevezetése, továbbá populációrendszerek monitorozása és egyensúlyba vezérlése.
Results in English
The most important result of the project research was the setup a new dynamic model for the temperature- and stage-dependent development of multispecies population systems. The mathematical setting of our model, using simulation analysis, makes it possible to answer some important questions of biological pest control. Our model is appropriate, e.g., for the optimization of the release of an insect natural enemy of an insect pest. In the model building, in addition to the temperature-dependent biological parameters of the single species, the functional response describing the interspecific interaction plays a key role. The model is appropriate not only for simulation analysis of the efficiency of agents, but also for the application of optimal control methodology for the most efficient timing of agent releases, and for the consideration of its economic implications. Based on laboratory and greenhouse trials carried out by our Spanish collaborators, our model was fitted to the data of an egg-larval parasitoid and its host, and also validated. We emphasize that this model can be easily adapted to other interacting species involved in biological or integrated pest control with either parasitoid or predator agents. We have also pursued other research lines either thematically or methodologically connected to the main topic, such as construction and analysis of functional responses, introduction of ecological games, monitoring and equilibrium control of population systems.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81279
Decision
Yes





 

List of publications

 
M. Gámez, I. López, I. Szabó and Z. Varga: Verticum-type systems applied to ecological monitoring, Applied Mathematics and Computation 215, 3230-3238, 2010
Z. Varga, M. Gámez, and I. López: Observer design for open and closed trophic chains, Nonlinear Analysis: Real World Applications 11, 1918-1924, 2010
M. Gámez, I. López, A. Shamandy: Open- and closed-loop equilibrium control of trophic chains, Ecological Modelling 221, 1839-1846, 2010
J. Garay, F. T. Móri: When is the opportunism remunerative?, Community Ecology 11:160-170, 2010
M. Gámez, I. López, J. Garay and Z. Varga: Monitoring and control in a spatially structured population model, In: Beniamino Murgante et al., Computational Science and its Applications, LNCS, Springer-Verlag, 511-520, 2011
S. Molnar, M. Gámez, I. López, T. Cabello: Equilibrium control of nonlinear verticum-type systems, applied to integrated pest control, BioSystems 113, 72– 80., 2013
J. Garay, V. Csiszár, F.T. Móri: Under multilevel selection: "When shall you be neither spiteful nor envious?, Journal of Theoretical Biology, Volume 340, 7 January 2014, Pages 73–84, 2013
J.R. Gallego, I. López, M. Gámez, Z. Varga, J. Garay and T. Cabello: Simulation model applied to biological pest control by entomophagous species in commercial tomato greenhouses, Hungarian Agricultural Engineering. Vol. 25/2013, pp. 67-70. – HU ISSN 0864-7410, 2013
G. Gődényné Hajdu, Z. Varga: Observer design for a nonlinear multi-stage population dynamics, Synergy in the Technical Development of Agriculture and Food Industry: 2-nd. International Conference on Agricultural Engineering. 9-15. October, 2011, Gödöllő, Hungary, 2011
T. Cabello, M. Gámez, A. Torres and J. Garay: Possible effects of inter-specific competition on the coexistence of two parasitoid species: Trichogramma brassicae Bezdenko and Chelonus oculator (F.)..., Community Ecology 12 (1), 78-88, 2011
J. Garay: Active centrum hypothesis: The origin of chiral homogeneity and the RNA-world, BioSystems 103: 1-12, 2011
József Garay, Zoltán Varga, Tomás Cabello, Manuel Gámez: Optimal nutrient foraging strategy of an omnivore: Liebig’s law determining numerical response, Journal of Theoretical Biology, 310 (2012) 31–42., 2012
Tomas Cabello, Juan R. Gallego, Francisco J. Fernandez, Manuel Gamez, Enric Vila, Modesto del Pino, Estrella Hernandez-Suarez: Biological Control Strategies for the South American Tomato Moth (Lepidoptera: Gelechiidae) in Greenhouse Tomatoes, Journal of Economic Entomology, 105(6):2085-2096., 2012
T. Cabello, M. Gámez, Z. Varga, J. Garay, R. Carreño, J. R. Gallego, F. J. Fernández, E. Vila: Selection of Trichogramma spp. (Hym.: Trichogrammatidae) for biological control of Tuta absoluta (Lep.: Gelechiidae) in greenhouse by entomo-ecological simulation model., International Organization for Biological and Integrated Control of Noxious Animals and Plants (IOBC), WPRS Bulletin, Vol. 80, 2012, pp. 171-176., 2012
S. Molnár, M. Gámez and I. López: Observation of nonlinear verticum-type systems applied to ecological monitoring, International Journal of Biomathematics Vol. 5, No. 6 (November 2012) 1250051 (15 pages) DOI: 10.1142/S1793524512500519, 2012
Tomás Cabello, Manuel Gámez, József Garay y Zoltán Varga: Lucha Biológica y Modelos Matemáticos: cuándo y cómo hacer las sueltas de enemigos naturales, Vida rural, 1/Noviembre/2011, 24-29 (ISSN: 1133-8938), 2011
J. Garay, Z. Varga: Survivor’s dilemma: defend the group or flee?, Theoretical Population Biology 80 (3), pp. 217-225, 2011
Cressman, R., Garay, J.: The effects of opportunistic and intentional predators on the herding behaviour of prey, Ecology 92:432–440, 2011
I. López, T. Standovár, J. Garay, Z. Varga and M. Gámez: Statistical detection of spatial plant patterns under the effect of forest use, International Journal of Biomathematics . Vol. 05, No. 06. 1250054, pp. 1-15, DOI No: 10.1142/S1793524512500544, 2012
Garay, J., Móri, T.F.: Monogamy has a fixation advantage based on fitness variance in ideal promiscuity group, Bulletin of Mathematical Biolology 74: 2676-2691, 2012
M. Gámez, I. López, Z. Varga and J. Garay: Stock estimation, environmental monitoring and equilibrium control of a fish population with reserve area, Reviews in Fish Biology and Fisheries, 22 (3) pp. 751-766., 2012
József Garay, Zoltán Sebestyén, Zoltán Varga, Manuel Gámez, Alejandro Torres, José E. Belda and Tomás Cabello,: A new multistage dynamic model for biological control exemplified by the host-parasitoid system Spodoptera exigua-Chelonus oculator, Journal of Pest Science, appeared Online First) 2014 Aug, pp. 1-16, Doi 10.1007/s10340-014-0609, 2014
Garay, J.; Sebestyén, Z.; Varga, Z.; Gámez, M.; Torres, A.; Belda, J.E.; Cabello, T: Data from: A new multistage dynamic model for biological control exemplified by the host-parasitoid system Spodoptera exigua-Chelonus oculator, Dryad Digital Repository [http://dx.doi.org/10.5061/dryad.t3b5s, 2014
Cressman R, Krˇivan V, Brown JS, Garay J: Game-Theoretic Methods for Functional Response and Optimal Foraging Behavior, PLoS ONE 9(2): e88773, 2014
József Garay, Zoltán Varga, Tomás Cabello, Manuel Gámez: Optimal nutrient foraging strategy of an omnivore: Liebig’s law determining numerical response, Journal of Theoretical Biology, 310 (2012) 31–42., 2012
Tomas Cabello, Juan R. Gallego, Francisco J. Fernandez, Manuel Gamez, Enric Vila, Modesto del Pino, Estrella Hernandez-Suarez: Biological Control Strategies for the South American Tomato Moth Tuta absoluta (Meyrick) (Lepidoptera: Gelechiidae) in Greenhouse Tomatoes, Journal of Economic Entomology, 105(6):2085-2096., 2012
T. Cabello, M. Gámez, Z. Varga, J. Garay, R. Carreño, J. R. Gallego, F. J. Fernández, E. Vila: Selection of Trichogramma spp. (Hym.: Trichogrammatidae) for biological control of Tuta absoluta (Lep.: Gelechiidae) in greenhouse by entomo-ecological simulation model., International Organization for Biological and Integrated Control of Noxious Animals and Plants (IOBC), WPRS Bulletin, Vol. 80, 2012, pp. 171-176., 2012
S. Molnár, M. Gámez and I. López: Observation of nonlinear verticum-type systems applied to ecological monitoring, International Journal of Biomathematics Vol. 5, No. 6 (November 2012) 1250051 (15 pages) DOI: 10.1142/S1793524512500519, 2012
Tomás Cabello, Manuel Gámez, József Garay y Zoltán Varga: Lucha Biológica y Modelos Matemáticos: cuándo y cómo hacer las sueltas de enemigos naturales, Vida rural, 1/Noviembre/2011, 24-29 (ISSN: 1133-8938), 2011
M. Gámez, Z. Sebestyén, Z. Varga, J. Garay, J. R. Gallego, F. J. Fernández, T. Cabello: Multi-stage dynamic model for a prey-predator interaction: Application to Spodoptera exigua (Hubner) (Lep.: Noctuidae) and Nabis pseudoferus Remane (Hem.: Nabidae) ..., IOBC-WPRS –Working Group Conference on Integrated Control in Protected Crops-Mediterranean Climate. Catania (Italy), 9-12 October 2012 (accepted), 2012
J. Garay, Z. Varga: Survivor’s dilemma: defend the group or flee?, Theoretical Population Biology 80 (3), pp. 217-225, 2011
Cressman, R., Garay, J.: The effects of opportunistic and intentional predators on the herding behaviour of prey, Ecology 92:432–440, 2011
I. López, T. Standovár, J. Garay, Z. Varga and M. Gámez: Statistical detection of spatial plant patterns under the effect of forest use, International Journal of Biomathematics. . Vol. 05, No. 06. 1250054, pp. 1-15, DOI No: 10.1142/S1793524512500544, 2012
Garay, J., Móri, T.F.: Monogamy has a fixation advantage based on fitness variance in ideal promiscuity group, Bulletin of Mathematical Biolology. DOI: 10.1007/s11538-012-9772-7 (in press), 2012
M. Gámez, I. López, Z. Varga and J. Garay: Stock estimation, environmental monitoring and equilibrium control of a fish population with reserve area, Reviews in Fish Biology and Fisheries, 22 (3) pp. 751-766., 2012
J.R. Gallego, I. López, M. Gámez, Z. Varga, J. Garay and T. Cabello: Simulation model applied to biological pest control by entomophagous species in commercial tomato greenhouses, Synergy International Conferences: Engineering, Agriculture, Waste Management and Green Industry Innovation. Gödöllő, Hungary, October 13-19, 2013 (accepted), 2013
Z. Sebestyén, Z. Varga, M. Gámez, R. Carreño, T. Cabello: Dynamic model for a host-parasitoid interaction of insects, VII congreso nacional de entomología aplicada, 24-28 octubre, 2011, Baeza, España. Abstracts, p. 142, 2011
Juan R. Gallego, Manuel Gámez, Tomás Cabello, Zoltán Sebestyén, Zoltán Varga, József Garay: Entomo-ecological simulation model applied to timing of biological pest control by parasitoid, International Conference MPDE'13-Models in Population Dynamics and Ecology. University of Osnabrück, Germany, 26-29 August, 2013. Abstracts, pp. 68-69., 2013
Manuel Gámez, József Garay, Zoltán Varga, Ramón Carreño, Tomás Cabello: Applications of multiple sigmoid functions in plant protection, International Conference MPDE'13-Models in Population Dynamics and Ecology. University of Osnabrück, Germany, 26-29 August, 2013. Abstracts, pp. 69, 2013
G. Gődényné Hajdu, Z. Varga: Observer design for a nonlinear multi-stage population dynamics (accepted), Synergy in the Technical Development of Agriculture and Food Industry: 2-nd. International Conference on Agricultural Engineering. 9-15. October, 2011, Gödöllő, Hungary, 2011
T. Cabello, M. Gámez, A. Torres and J. Garay: Possible effects of inter-specific competition on the coexistence of two parasitoid species: Trichogramma brassicae Bezdenko and Chelonus oculator (F.)..., Community Ecology 12 (1), 78-88., 2011
J. Garay: Active centrum hypothesis: The origin of chiral homogeneity and the RNA-world, BioSystems 103: 1-12, 2011
M. Gámez, I. López, I. Szabó and Z. Varga: Verticum-type systems applied to ecological monitoring, Applied Mathematics and Computation 215, 3230-3238, 2010
Z. Varga, M. Gámez, and I. López: Observer design for open and closed trophic chains, Nonlinear Analysis: Real World Applications 11, 1918-1924, 2010
M. Gámez, I. López, A. Shamandy: Open- and closed-loop equilibrium control of trophic chains, Ecological Modelling 221, 1839-1846, 2010
J. Garay, F. T. Móri: When is the opportunism remunerative?, Community Ecology 11:160-170, 2010
M. Gámez, I. López, J. Garay and Z. Varga: Monitoring and control in a spatially structured population model, In: Beniamino Murgante et al., Computational Science and its Applications, LNCS, Springer-Verlag, 511-520, 2011
Z. Varga, M. Gámez, I. López: Recent developments in monitoring of complex population systems, American Journal of Operations Research, 3, Number 1 (Special Issue on Complex Systems) 167-180, 2013
S. Molnar, M. Gámez, I. López, T. Cabello: Equilibrium control of nonlinear verticum-type systems, applied to integrated pest control, BioSystems 113, 72– 80., 2013
M. Gámez, Z. Varga, J. Garay, E. Vila and T. Cabello: Mathematical Model for Biological Control of the South American Tomato Pinworm, Tuta absoluta (Lep.: Gelechiidae), with releases of Trichogramma achaeae ..., IXth European Congress of Entomology, 22-27 August 2010, Budapest/Hungary. Abstracts, p. 214., 2010
j. Garay, V. Csiszár, F.T. Móri: Under multilevel selection: "When shall you be neither spiteful nor envious?, Journal of Theoretical Biology (in press) DOI:10.1016/j.jtbi.2013.08.031, 2013





 

Events of the project

 
2012-10-26 11:15:29
Résztvevők változása




Back »